Валерий Дементьев родился в деревне Каргачево Кубено-Озерского (ныне Вологодского) района 11 августа 1925 года. Детство его прошло в Вологде, куда переехали родители. Здесь окончил 9 классов, в начале войны экстерном сдал экзамены за десятый класс и был призван на фронт. Окончив Московское военно-инженерное училище, участвовал в боях на Карельском перешейке, в Львовско-Сандомирской, Сандомирско-Силезской, Нижне-Силезской, Верхне-Силезской, Берлинской и Пражской наступательных операциях. За разминирование собора в чешском городе Градец-Кралове – уникального памятника архитектуры – был удостоен звания «Почетный гражданин Градец-Кралова».
После войны Дементьев окончил Вологодский педагогический институт, начал печататься (первая публикация состоялась в газете «Красный Север» в 1947 г.), переехал в Москву. Окончил аспирантуру Литературного института им. Горького, преподавал на кафедре литературного мастерства этого института. Тема докторской диссертации – «Творческая личность поэта в современной поэзии».
Валерий Васильевич написал более 400 научных и критических работ о С. Есенине, А. Твардовском, А. Прокофьеве, С. Щипачеве, Я. Смелякове, Л. Мартынове, С. Орлове, Н. Рубцове. Сборник статей о русских поэтах «Исповедь земли» в 1982 г. был удостоен Государственной премии России.
Книги и публикации Валерия Дементьева посвящены русской поэзии и родному Русскому Северу. Много сил отдал Валерий Васильевич поддержке молодых писателей и критиков, особое внимание уделяя землякам. Валерий Дементьев – один из инициаторов создания Вологодской писательской организации.
Писатель умер 22 ноября 2000 года и похоронен на Пошехонском кладбище Вологды. Именем Валерия Дементьева названа сельская библиотека в с. Новленском Вологодского района.